Sebbene molto tempo e sforzi nella fisica delle particelle siano dedicati alla ricerca di modi per aumentare l'energia di certi esperimenti, a volte è ancora più importante trovare modi per in sicurezza, rimuovere rapidamente e facilmente energia da un esperimento.

I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno recentemente sviluppato un nuovo meccanismo di contatto scorrevole a bassissimo attrito che utilizza acqua refrigerata per rimuovere il calore da un componente chiave di un collisore di nuova generazione.

"Quando pensi di guidare una macchina, devi usare l'attrito per frenare le ruote, " ha detto Wei Gai, un fisico delle alte energie Argonne e leader del gruppo Argonne Wakefield Accelerator. "Per noi, la sfida principale è stata trovare un modo per avere un contatto simile a un freno di pastiglie metalliche contro una ruota ad alta velocità senza molto attrito."

Negli ultimi due anni, Gai e i suoi colleghi hanno cercato di assemblare un prototipo funzionante per un componente chiave del futuro proposto International Linear Collider (ILC). Questo dispositivo, chiamato "bersaglio di positroni, " consentirebbe agli scienziati di produrre positroni, la particella gemella di antimateria dell'elettrone.

All'ILC, una macchina lunga da 20 a 30 miglia presa in considerazione dal Giappone, gli scienziati farebbero scontrare elettroni e positroni tra loro, e le risultanti annichilazioni di particelle energetiche potrebbero far luce su una serie di questioni irrisolte in fisica che vanno da dimensioni sconosciute a candidati per la materia oscura.

"La priorità numero uno per l'ILC è stata quella di ottenere una fonte affidabile di positroni polarizzati, " ha detto Gai. Sebbene i positroni non siano polarizzati dal bersaglio, che viene fatto in un passaggio separato, avere una fonte di positroni affidabile è un grande passo avanti.

I positroni vengono creati quando un fotone altamente energetico, chiamato raggio gamma, arriva nelle vicinanze di un nucleo atomico. Quindi, in un processo noto come produzione di coppie, l'energia contenuta nel fotone viene convertita spontaneamente in un elettrone e un positrone.

"Per alcune persone, sembra che l'universo stia facendo qualcosa dal nulla, " disse l'ingegnere elettrico Argonne Wanming Liu. "Ma Einstein dimostrò che energia e massa possono essere convertite l'una nell'altra, quindi finché il fotone in arrivo ha energia sufficiente, puoi creare un positrone e un elettrone insieme."

Creare e raccogliere quei positroni, però, non è stato un compito facile. Primo, il raggio di raggi gamma necessario per creare i positroni funziona in qualche modo come una torcia intensa e focalizzata e essenzialmente brucerà attraverso qualsiasi cosa lasciata direttamente sul suo percorso per troppo tempo.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno prima creato una ruota in lega di titanio di circa tre piedi di diametro e mezzo pollice di spessore. Il raggio gamma in arrivo colpirebbe un punto verso il bordo esterno della ruota, facendolo riscaldare mentre genera coppie positrone-elettrone. Gli elettroni e i raggi gamma in eccesso verrebbero scaricati fuori, mentre i positroni sarebbero raccolti attraverso la guida magnetica.

Per evitare danni alla ruota dovuti a un'esposizione prolungata in un unico punto, il team di ricerca ha progettato un modo per far girare rapidamente la ruota, a circa 220 miglia all'ora, cambiando continuamente il punto in cui il raggio ha colpito la ruota.

Anche se questo ha risolto un problema nella progettazione di un bersaglio di positroni, la vera sfida consisteva nel rimuovere l'energia termica dalla ruota. Poiché i positroni devono essere catturati e accelerati nel vuoto e poiché il raggio di raggi gamma in arrivo potrebbe bruciare attraverso qualsiasi cosa si trovi sulla sua strada per troppo tempo, i ricercatori avevano bisogno di far funzionare l'obiettivo in un ambiente ad altissimo vuoto. Lavorare nel vuoto, però, significava che non potevano dissipare il calore nell'ambiente circostante, quindi avevano bisogno di un'altra soluzione.

La risposta che hanno trovato - conduzione - sarebbe familiare a chiunque abbia mai sentito i piedi freddi di un'altra persona nel cuore della notte. Mettendo la superficie di un tampone di raffreddamento rivestito con un sottile strato di disolfuro di tungsteno o lubrificanti secchi simili direttamente a contatto con la ruota rotante, i ricercatori hanno scoperto che potevano aspirare energia termica dal sistema, evitando che il bersaglio si surriscaldi o venga danneggiato in altro modo. Il tampone di raffreddamento contiene una camera piena di acqua refrigerata che può essere continuamente reintegrata dall'esterno dell'apparato sigillato sottovuoto.

"La nostra svolta è stata davvero triplice:che siamo stati in grado di trovare un modo per generare i positroni, che siamo riusciti a rimuovere energia dal sistema e che siamo stati in grado di far funzionare il dispositivo per un lungo periodo, " disse Gai.

Secondo Gai, la fase successiva della ricerca prevede il funzionamento continuo del bersaglio di positroni per un periodo di circa sette o otto mesi al fine di assicurarsi che la macchina possa resistere alle sollecitazioni di un periodo prolungato di studio sperimentale. Il progetto finale è stato completato dall'ingegnere di Argonne Scott Doran.

"Poiché l'ILC rappresenta un così grande investimento internazionale, dobbiamo assicurarci che tutto sia testato, controllato e pronto a partire il più possibile in anticipo, " disse Gai.